一种用于配电网中多逆变器协调的刚性共识方法及系统

本发明涉及有源配电网电压调节，具体涉及一种用于配电网中多逆变器协调的刚性共识方法及系统，适用于含有高渗透率可再生能源的配电网电压稳定控制和可再生能源利用效率的提升。

背景技术：

1、随着世界各国大力推广能源低碳发展，分布式光伏发电得到迅猛发展，总装机容量和规模不断增加。然而，光伏渗透率的提高不可避免地会影响到配电网的可靠性，由光伏并网引起的电压违规和快速波动已成为制约配电网安全稳定运行的主要挑战。分布式光伏发电机的间歇性和随机性特征导致了终端节点的电压波动，当光伏发电量超过负荷需求时，反向功率从终端流向上游节点，这导致了电压上升的现象。反之，当负载需求超过光伏输出时，终端节点的电压会因为线损而下降。除了稳定电压波动和将运行电压维持在安全区域的传统要求外，对快速电压控制的需求逐渐出现。

2、各种调节设备，如有载变压器分接开关、电容器组、静态变压补偿器和光伏逆变器被协调用于配电网络的电压控制。由于光伏逆变器具有位置灵活和响应速度快的特点，具备传感、通信和计算能力的光伏逆变器可以被视为能够协同电压调节的智能体。在传统的无功功率控制中，光伏逆变器遵循本地的v(q)曲线来补偿无功功率，然而本地的v(q)曲线斜率的选择不能建立在精确的优化计算的基础上，这导致难以缓解电压违例问题。

3、有文献提出基于共识的领导者-追随者分布式控制方法，该方法通过指导光伏逆变器，促进其达成共识的同时也解决电压违规问题。但现有方法过于依赖单一智能体，且存在局部性，因此容易出现单点故障。也有文献考虑平均共识算法，但该方法的划分阻碍了算法适应不同场景的能力，并限制了灵活性。针对多逆变器的合作还需要进一步协调控制。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种用于配电网中多逆变器协调的刚性共识方法及系统，在刚性图论的通信基础上，协调馈线上各分布式逆变器之间的出力关系，对配电网电压波动现象进行调控，同时尽可能的提升可再生能源的利用效率。

2、本发明通过以下技术手段解决上述问题：

3、第一方面，本发明提供一种用于配电网中多逆变器协调的刚性共识方法，包括如下步骤：

4、步骤1：测量光伏逆变器节点电压，电压数值经通信网络反馈给控制主节点的智能光伏逆变器，对于下垂控制的q(v)曲线，引入斜率的修正系数ε进行协同优化；

5、步骤2：基于灵敏度分析估算节点电压，建立电压约束，并设置电流、逆变器、变压器和参数的约束条件，以光伏逆变器的总功率最大为目标，定义优化模型并求解；

6、步骤3：根据修正系数ε与目标修正系数ε*确定通信的最小刚性图，设定当前修正系数与目标修正系数之间的期望距离，进而对具备边缘计算能力的主节点进行控制；

7、步骤4：经过数次迭代，主从节点均收敛至优化求解结果，返回步骤1，各逆变器依据优化后的修正系数ε得到新的无功输出向量进行动态无功补偿，完成电压调控。

8、作为优选地，在步骤1中，对下垂控制的q(v)曲线，引入斜率的修正系数ε：

9、ε＝[ε1,ε2,…,εn]

10、其中ε1,ε2,…,εn分别代表第1,2,…,n个光伏逆变器的修正系数，对于第i个逆变器的q(v)曲线改写为：

11、

12、式中，表示修正后第i个逆变器输出的无功功率，第i个光伏逆变器并网节点电压用vi表示，为逆变器能输出的最大无功功率，和为死区上下限，εi是斜率的修正系数，ki表示默认q(v)曲线斜率；

13、为使光伏并网的利用效率最大，设定光伏逆变器的总功率最大为目标函数，则有：

14、

15、其中，ptotal为光伏逆变器输出的总有功功率，第i个逆变器的当前视在功率输出为|si|，由mppt的运算结果决定，则由步骤1决定。

16、作为优选地，在步骤2中，为了对功率变化后的电压值进行估算，需要利用灵敏度分析出各个节点电压与功率之间的变化关系，其运算方法如下：

17、

18、

19、

20、其中，gij为节点导纳矩阵实部，bij为节点导纳矩阵虚部，代表节点i和节点j的相互影响，pi、qi代表节点的有功功率、无功功率，θij代表节点i和节点j之间的相角差，vi和vj分别代表节点i和节点j的电压，δp、δq、δv、δθ分别为系统有功功率增量矩阵、无功功率增量矩阵、电压增量矩阵、相角增量矩阵，j为雅可比矩阵，其中jpθ、jpv、jqθ、jqv分别为雅可比矩阵中有功与相角、有功与电压、无功与相角、无功与电压的关系，n为系统节点总数；

21、通过上式得出系统无功功率增量δq与节点电压增量δv的关系：

22、δv＝spvδp+sqvδq

23、spv和sqv表示电压对有功功率和无功功率的灵敏度矩阵；因此，节点j对第i个节点电压的变化率δvi为：

24、δvi＝spvδpj+sqvδqj

25、得到节点i的电压在t1时刻的估计值为：

26、

27、其中vi(t0)和vi(t1)分别表示应用修正系数εi前后、节点i的电压，δvi(t0)表示t0时刻节点i的电压变化量，spv和sqv表示电压对有功功率和无功功率的灵敏度矩阵，δpj和δqj表示当前时刻和前一时刻的功率之差；因此电压的边界条件为：

28、

29、其中，vlow和vhigh代表节点允许的电压下限和上限；

30、其他需要注意的约束条件为：

31、电流约束：在电力系统潮流计算的过程中，必须满足如下式：

32、i≤imax

33、式中imax为导线最大载流量，i为导线电流；

34、逆变器约束：光伏逆变器功率因数可调，因此必须满足如下式：

35、

36、式中pi、qi和si为第i个逆变器的有功、无功和视在功率；

37、参数约束：由于修正系数是改变功率输出的比例，应该满足如下式：

38、εi≥0。

39、作为优选地，步骤2中的计算优化模型为：

40、

41、vlow≤vi(t0)

42、

43、εi≥0

44、其中，vhigh和vlow为电压的最大和最小值；imax为导线最大载流量，i为导线电流；pi、qi和si分别为第i个逆变器的有功、无功和视在功率，εi为第i个逆变器修正系数。

45、作为优选地，在步骤3中，对于n个光伏并网节点组成的通信网络用一个无向图g＝(v,e)来表示，其中v＝{1,2,…,n}是顶点的集合，是无向边的集合，边的数量为若是顶点i和顶点j的坐标，那么框架f为(g,p)，其中说明框架是由平面上的点来实现的；考虑边在e中的排序，则边函数φ(p)有以下定义：

46、

47、其中||·||2为欧式范数；φ(p)中第k个分量代表e中连接顶点i和j的第k条边；为减少通信开支，将图形刚性矩阵方法引入无向图通信网络，框架f＝(g,p)的刚性矩阵r(p)定义为：

48、

49、若有rank[r(p)]＝2n-3，即l＝2n-3，那么框架(g,p)是具有无限小刚性的；

50、优化后的修正系数ε以一个最小通信刚性框架来表示为f*＝(g*,ε*)，其中g*＝(v*,e*)为编队图形，*表示该变量在达成共识时的目标值，逆变器i修正系数与逆变器j修正系数之间的期望距离dij为：

51、

52、将两个逆变器的相对修正系数定义为：

53、

54、并使与定义的边函数φ(p)具有相同的排序；修正系数的期望距离误差eij定义为：

55、

56、作为优选地，在步骤3中，由n个可调节修正系数的系统，由单一积分器对其建模

57、

58、其中是第i个逆变器的实际修正系数，是第i个逆变器的控制输入；

59、修正系数与目标修正系数之间的期望距离通过以下时间t的函数来估计，从而实时调整修正系数的调整方向：

60、

61、其中，k1,k2>0为用户自定的控制系数，τ为积分过程中的中间量，sgn(·)为标准符号函数，et＝εt-εn表示修正值与目标值的拦截误差，其中εt表示修正系数的目标值，εn表示修正系数的修正值；

62、控制律u定义为：

63、u＝ua+h

64、其中

65、ua＝-rt(ε)z＝(ua1,…,uan)

66、

67、其中，k＞0为用户定义的控制增益，rt是刚性矩阵r的转置矩阵，通过计算得到新的矩阵后则可写成(ua1,…,uan)的形式，i,j)∈e*。

68、作为优选地，在步骤4中，各逆变器获得新的修正系数εi，带入步骤1中的q(v)式进行计算，得到新的无功功率输出向量qnew；

69、

70、其中表示第1,…,n个光伏逆变器需要输出的无功功率；将计算出的送入相应的逆变器，逆变器根据计算结果进行无功补偿操作，完成电压调控。

71、第二方面，本发明提供一种用于配电网中多逆变器协调的刚性共识系统，包括：

72、修正系数引入模块，用于测量光伏逆变器节点电压，电压数值经通信网络反馈给控制主节点的智能光伏逆变器，对于下垂控制的q(v)曲线，引入斜率的修正系数ε进行协同优化；

73、优化模型定义模块，用于基于灵敏度分析估算节点电压，建立电压约束，并设置电流、逆变器、变压器和参数的约束条件，以光伏逆变器的总功率最大为目标，定义优化模型并求解；

74、主节点控制模块，用于根据修正系数ε与目标修正系数ε*确定通信的最小刚性图，设定当前修正系数与目标修正系数之间的期望距离，进而对具备边缘计算能力的主节点进行控制；

75、动态无功补偿模块，用于经过数次迭代，主从节点均收敛至优化求解结果，各逆变器依据优化后的修正系数ε得到新的无功输出向量进行动态无功补偿，完成电压调控。

76、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述用于配电网中多逆变器协调的刚性共识方法的步骤。

77、第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述用于配电网中多逆变器协调的刚性共识方法的步骤。

78、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

79、本发明针对高渗透率可再生能源的配电网电压波动问题，通过基于刚性共识的分布式控制算法协调多逆变器功率输出并进行优化控制。相较于传统的本地q(v)控制曲线，该方法应用修正系数调整曲线的斜率，通过灵敏度矩阵分析方法估算了功率改变对电压的影响，在保证电压稳定的同时尽可能的使逆变器有功功率输出的总和最大。将基于图形刚性的方法扩展到分布式光伏逆变器的协调控制，相对于传统分布式通信降低了通信要求，增强了分布式协同的鲁棒性，有效地消除了电压违规行为。此方法，并不要求每个逆变器都具备计算能力，只需具备边缘计算能力的智能光伏逆变器进行优化计算，再由刚性通信图进行协同控制。本发明提升了可再生能源的利用效率，具有较高的经济效益。